第 5 章 工作機械における切削時消費電力モデルの構築 55
5.4 切削時消費電力の計測
5.4.2 実験結果
前節で述べた実験条件にしたがって28パターンの溝入れ加工を行い，消費電力を測定し た．いずれの実験においても，LabVIEWプログラム上での電力測定開始の直後にNCプロ グラムを稼働させ，NCプログラムの終了後すぐに電力測定を終了した．実験結果の一例と して，図5.10に実験B（送り速度60 mm/min）における主電源部での消費電力（実線），
主軸モータ部での消費電力（破線），および切削抵抗（点線）の変化を示す．図5.10にお
0 200 400 600 800 1000 1200
0 20 40 60 80 100 120 140 0 10 20 30 40 50 60
Consumed power W Cutting force N
Elapsed time s
Power: Power supply Power: Main spindle
Cutting force
Actual machining time
Fig. 5.10: Measured data of power in experiment B with 0.02 mm/(min·tooth).
いて，計測開始後およそ17 秒後に見られる主電源部での1000 W近く（主軸モータ部での
500 W程度）の大きな電力は主軸の回転動作の始まりを意味する．また，主軸モータ部で
の消費電力の立上り時間および立下り時間はそれぞれ，切削抵抗の急激な立上りの時間およ び立下りの時間とほぼ一致することがわかる．本研究では，消費電力予測の対象区間は実際 の加工時間とし，その開始および終了の各時点は，計測モジュールNI9205で測定された切 削抵抗の立上りおよび立下りのエッジ間とした．図5.10の例では，対象区間は [40,107]で あり，実加工時間は77 秒である．
図5.11に，横軸に材料除去率を取った場合の(a)主電源部および(b)主軸モータ部での消 費電力（E˙）の計測結果をまとめる．図5.11(a)および(b)は，工作機械における一般的な 消費電力特性（文献 [28]や式(5.6)），すなわち，材料除去率の増加に伴い消費電力は線形 増加する傾向にあること，その主因は主軸モータ部での電力消費にあることを示している．
図5.11(c)は，各実験において主電源部での消費電力と主軸モータ部でのそれとの差を取っ
た結果である．図5.11(c)に見られる材料除去率の大きさに伴う消費電力の増加分は，主と して送り駆動系によるものと考えられる．
図5.11(b)および図5.11(c)のそれぞれの計測データに対し，線形回帰を適用し材料除去
率の増加に伴う消費電力の増加率（回帰係数）を調べた．その結果，図5.11(b)での増加率 は1.04，図5.11(c)でのそれは0.25であった．したがって，主軸モータ部の消費電力に対す るそれ以外での消費電力の相対的増加率は1/4程度である．本実験ならびに後述の予測精 度検証では，送り駆動系は1軸のみの動作を対象としていることから，本章では変動エネル ギーとして主軸モータ部で消費されるエネルギーのみを考慮するものとする．
図5.12(a)に，28パターンの各切削実験で得られた主電源部で計測した工作機械全体での
エネルギー密度および主軸モータ部でのエネルギー密度を示す．図5.12(b)は主軸モータ部 エネルギー密度が主電源部エネルギー密度に占める割合を表している．図5.12では，材料 除去率の増加に伴い双方のエネルギー密度はともに非線形で減少することがわかる．主電 源部エネルギー密度に対して主軸モータ部エネルギー密度は低く，これは工作機械の消費す るエネルギーのうち多くは定常エネルギーであることを裏付ける．一方，材料除去率が大 きくなるにしたがって変動エネルギーの占める割合が高まることがわかる．具体的には，図 5.12(b)の主軸モータ部エネルギー密度の割合を見ると，vm ≥300 mm3/s の領域では40 % を越え，本実験の範囲では 50 % 近くに達する．
この結果は，重切削や高速加工など高い材料除去率を要する除去加工では，工作機械全体 でのエネルギーのうち変動エネルギーの占める割り合いが高まっていくこと，すなわち，切 削に直接関わるエネルギーの効率性を高める余地があることを示唆する．
0 200 400 600 800 1000 1200
0 50 100 150 200 250 300 350 400 Material removable rate vm mm3/s
Experiment A Experiment B Experiment C
(a) Main power supply
(b) Main spindle supply
(c) Residual of (a)-(b)
Power consumptionE W
Material removable rate vm mm3/s
Power consumptionE W
Material removable rate vm mm3/s
Power consumptionE W
0 200 400 600 800 1000 1200
0 50 100 150 200 250 300 350 400 Experiment A
Experiment B Experiment C
0 200 400 600 800 1000 1200
0 50 100 150 200 250 300 350 400 Experiment A
Experiment B Experiment C
Fig. 5.11: Electric power consumption [1].
Material removable rate vm mm3/s
Material removable rate vm mm3/s
Material removable rate vm mm3/s 0
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
Rate of spindle motor SEC to total SEC
Experiment A Experiment B Experiment C 0
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
Specific energy consumptionc J/mm3Specific energy consumptionc J/mm3
Main spindle in Experiment A Main spindle in Experiment B Main spindle in Experiment C 0
5 10 15 20 25 30
0 50 100 150 200 250 300 350 400
0 50 100 150 200 250 300 350 400
0 50 100 150 200 250 300 350 400 Power supply in Experiment A Power supply in Experiment B Power supply in Experiment C Main spindle in Experiment A Main spindle in Experiment B Main spindle in Experiment C
(b) Rate of spindle motor SEC to total SEC
(a) Specific energy consumption both at main supply unit (total SEC) and main spindle motor unit (spindle motor SEC)
Fig. 5.12: Specific energy consumption [1].